(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体の表面にポリイミド薄膜又はポリ尿素薄膜よりなる高分子薄膜を形成する成膜装置において、
前記被処理体を複数枚収容する縦型の処理容器と、
前記処理容器内で前記被処理体を保持するために複数段にわたって設けられた載置台を有する保持手段と、
前記処理容器内を真空引きする真空排気系と、
前記処理容器内へ前記高分子薄膜の複数の原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記処理容器内へクリーニングガスとしてフッ素系ガスであるＦ２ ガスを供給するクリーニングガス供給手段と、
前記処理容器を加熱する容器加熱手段と、
装置全体の動作を制御する装置制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記装置制御部は、前記高分子薄膜が前記クリーニングガスによりフッ化され、過剰にフッ化された表面付近が揮発するようになるまでの長さの時間上記クリーニング操作を実施することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記クリーニング処理時の温度を１５０〜３００℃の範囲内に制御する温度制御部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の成膜装置。
【請求項４】
前記処理容器は、石英により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記ポリイミド薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）とよりなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項６】
前記ポリ尿素薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）と４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）とよりなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項７】
被処理体の表面にポリイミド薄膜又はポリ尿素薄膜よりなる高分子薄膜を形成するために用いられる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜装置のクリーニング方法において、
前記処理容器内へクリーニングガスとしてフッ素系ガスであるＦ２ ガスを供給してクリーニング処理を行うようにしたことを特徴とする成膜装置のクリーニング方法。
【請求項８】
前記クリーニング処理は、前記高分子薄膜が前記クリーニングガスによりフッ化され、過剰にフッ化された表面付近が揮発するようになるまでの長さの時間実施されることを特徴とする請求項７記載の成膜装置のクリーニング方法。
【請求項９】
前記クリーニング処理時の温度は、１５０〜３００℃の範囲内であることを特徴とする請求項７又は８記載の成膜装置のクリーニング方法。
【請求項１０】
前記ポリイミド薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）とよりなることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の成膜装置のクリーニング方法。
【請求項１１】
前記ポリ尿素薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）と４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）とよりなることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の成膜装置のクリーニング方法。
【請求項１２】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜装置をクリーニングするに際して、
請求項７乃至１１のいずれか一項に記載したクリーニング方法を実施するように前記成膜装置を制御する、コンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶するようにしたことを特徴とする記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の表面にポリイミド薄膜等の高分子薄膜を形成する成膜装置及びそのクリーニング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路等を製造するためには、シリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して成膜処理、エッチング処理、酸化処理等の各種の処理が繰り返し行われている。そして、上記半導体集積回路に用いる絶縁膜としては一般的にはＳｉＯ２ 膜等に代表される無機系の絶縁膜が主流であるが、従来より、製造プロセスやプロセス条件が比較的簡単なことから有機物による高分子薄膜が検討されている（特許文献１、２、３及び非特許文献１）。
【０００３】
例えばポリイミド薄膜に代表されるこの高分子薄膜は、半導体集積回路の層間絶縁膜や液晶表示装置の液晶配向膜等として用いることが検討されている。またこの高分子薄膜は、他の用途としては、集積回路が形成された、いわゆるチップ同士を、３次元的に積み上げて実装する際のチップ間絶縁膜としても注目を集めている。この高分子薄膜を形成するための方法としては、原料モノマーを溶媒に溶かして、これを半導体ウエハ上にスピンコートして重合させる、いわゆる湿式法や、この高分子薄膜を予めフィルム状にしてウエハ表面に接合するようにしたフィルム法や、減圧雰囲気になされた真空容器内で原料モノマーを蒸発させて重合させるようにした蒸着重合法等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−２６１３２２号公報
【特許文献２】特開平９−１４３６８１号公報
【特許文献３】特開２０００−２１８６７号公報
【非特許文献１】”Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｄ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｂｙ  ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ”［Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍ，Ｐｏｌｙｍ．  ５（１９９３）２２９−２３７ｐｐ．］
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記湿式法にあっては、膜厚を十分に薄くすることが困難であるばかりか、薄膜と基板（半導体ウエハ）との密着性が十分ではなく、しかも溶媒の添加及び除去に際して不純物が混入し易かったり、溶媒の揮発成分が抜けたところにピンホール等が生じる、といった欠点があった。また上記フィルム法にあっては、ウエハ表面に凹部が存在する場合には、その凹部内には埋め込むことができない、という欠点があった。
【０００６】
これに対して、上記蒸着重合法では上記した湿式法による欠点を全て排除することができることから比較的好ましい方法である。しかしながら、この蒸着重合法では、処理容器の内壁面やウエハを保持するウエハボート等に不要な膜が多量に付着するが、この不要な膜を除去するためのクリーニング処理の方法が十分に確立されていない、といのが現状であった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、処理容器内に付着した不要な高分子薄膜をクリーニング処理により除去するに際して、クリーニングガスとしてフッ素系ガスを使用することにより、処理容器自体や被処理体を保持する保持手段にダメージを与えることなく不要な高分子薄膜のみを選択的に且つ効率的に除去することが可能な成膜装置及びそのクリーニング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、被処理体の表面にポリイミド薄膜又は前記ポリ尿素薄膜よりなる高分子薄膜を形成する成膜装置において、前記被処理体を複数枚収容する縦型の処理容器と、前記処理容器内で前記被処理体を保持するために複数段にわたって設けられた載置台を有する保持手段と、前記処理容器内を真空引きする真空排気系と、前記処理容器内へ前記高分子薄膜の複数の原料ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内へクリーニングガスとしてフッ素系ガスであるＦ２ ガスを供給するクリーニングガス供給手段と、前記処理容器を加熱する容器加熱手段と、装置全体の動作を制御する装置制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
【０００９】
このように成膜装置の処理容器内に付着した不要なポリイミド薄膜又はポリ尿素薄膜よりなる高分子薄膜をクリーニング処理により除去するに際して、クリーニングガスとしてフッ素系ガスであるＦ２ ガスを使用することにより、処理容器自体や被処理体を保持する保持手段にダメージを与えることなく不要な高分子薄膜のみを選択的に且つ効率的に除去することができる。
【００１０】
この場合、例えば請求項２に記載するように、前記装置制御部は、前記高分子薄膜が前記クリーニングガスによりフッ化され、過剰にフッ化された表面付近が揮発するようになるまでの長さの時間上記クリーニング操作を実施することを特徴とする。
また、例えば請求項３に記載するように、前記クリーニング処理時の温度を１５０〜３００℃の範囲内に制御する温度制御部を有することを特徴とする。
【００１１】
また、例えば請求項４に記載するように、前記処理容器は、石英により形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、例えば請求項５に記載するように、前記ポリイミド薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）とよりなることを特徴とする。
また、例えば請求項６に記載するように、前記ポリ尿素薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）と４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）とよりなることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に係る発明は、被処理体の表面にポリイミド薄膜又はポリ尿素薄膜よりなる高分子薄膜を形成するために用いられる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜装置のクリーニング方法において、前記処理容器内へクリーニングガスとしてフッ素系ガスであるＦ２ ガスを供給してクリーニング処理を行うようにしたことを特徴とする成膜装置のクリーニング方法である。
【００１４】
この場合、例えば請求項８に記載するように、前記クリーニング処理は、前記高分子薄膜が前記クリーニングガスによりフッ化され、過剰にフッ化された表面付近が揮発するようになるまでの長さの時間実施されることを特徴とする。
また、例えば請求項９に記載するように、前記クリーニング処理時の温度は、１５０〜３００℃の範囲内であることを特徴とする。
【００１５】
また、例えば請求項１０に記載するように、前記ポリイミド薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）とよりなることを特徴とする。
【００１６】
また、例えば請求項１１に記載するように、前記ポリ尿素薄膜を形成する時の前記複数の原料ガスは、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）と４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）とよりなることを特徴とする。
【００１７】
請求項１２の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜装置をクリーニングするに際して、請求項７乃至１１のいずれか一項に記載したクリーニング方法を実施するように前記成膜装置を制御する、コンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶するようにしたことを特徴とする記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る成膜装置及びそのクリーニング方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
成膜装置の処理容器内に付着した不要なポリイミド薄膜又はポリ尿素薄膜よりなる高分子薄膜をクリーニング処理により除去するに際して、クリーニングガスとしてフッ素系ガスであるＦ２ ガスを使用することにより、処理容器自体や被処理体を保持する保持手段にダメージを与えることなく不要な高分子薄膜のみを選択的に且つ効率的に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る成膜装置を示す断面構成図である。
【図２】保持手段であるウエハボートを示す横断面図である。
【図３】ウエハボートを示す部分拡大図である。
【図４】ポリイミド薄膜と石英に対するＦ２ ガスのエッチング時の選択性を示すグラフである。
【図５】シリコン基板上に形成されたポリイミド薄膜（ＰＩ）の膜厚方向の元素濃度を示すグラフである。
【図６】シリコン基板上に形成されたポリイミド薄膜（ＰＩ）の膜厚方向の電子顕微鏡写真を示す。
【図７】エッチング時のフッ素濃度及び温度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る成膜装置及びそのクリーニング方法の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る成膜装置を示す断面構成図、図２は保持手段であるウエハボートを示す横断面図、図３はウエハボートを示す部分拡大図である。尚、ここでは高分子薄膜の一例としてポリイミド樹脂の薄膜であるポリイミド薄膜を形成する場合を例にとって説明する。
【００２１】
図示するように、この成膜装置２は下端が開口されて上下方向に所定の長さを有して円筒体状になされた有天井の縦型の処理容器４を有している。この処理容器４は、例えば耐熱性の高い石英を用いることができる。この処理容器４の下方より複数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを複数段に亘って所定のピッチで載置した保持手段としてのウエハボート６が昇降可能に挿脱自在になされている。このウエハボート６の構造については後述する。そして、ウエハボート６の処理容器４内への挿入時には、上記処理容器４の下端の開口部４Ａは、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等よりなる金属製の蓋部８により塞がれて密閉される。
【００２２】
この際、処理容器４の下端部と蓋部８の周辺部との間には、気密性を維持するために例えばＯリング等のシール部材１０が介在される。尚、この蓋部８をステンレス板により形成する場合もある。このウエハボート６は、上記蓋部８の上面側に取り付け固定されている。そして、この蓋部８は、例えばボートエレベータ等の昇降機構１２より延びたアーム１２Ａの先端に取り付けられており、上記ウエハボート６及び蓋部８等を一体的に昇降できるようになされている。
【００２３】
上記処理容器４の側部には、これを取り囲むようにした例えばカーボンワイヤ製のヒータよりなる容器加熱手段１４が設けられており、この内側に位置する石英製の処理容器４や被処理体である半導体ウエハＷを加熱し得るようになっている。そして、この容器加熱手段１４は、これに電力を供給するヒータ電源１５に接続される。またこの容器加熱手段１４の外周には、断熱材１６が設けられており、この熱的安定性を確保するようになっている。
【００２４】
そして、この容器加熱手段１４の近傍には、例えば熱電対よりなる温度センサ１８が設けられており、この容器加熱手段１４に近い処理容器４の温度を測定するようになっている。また処理容器４の下部側壁には、この処理容器４内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段２０を設けている。具体的には、このガス供給手段２０は、成膜用の複数の原料ガス、ここでは２種類の原料ガスを供給するために第１の原料ガス供給系２２と、第２の原料ガス供給系２４とを有し、更にクリーニングガスを供給するためのクリーニングガス供給系２６を有している。
【００２５】
尚、実際には、図示されないが、不活性ガスとして例えばＮ２ ガスやＡｒ、Ｈｅ等の希ガスを必要に応じてパージガスや希釈ガスとして供給する不活性ガス供給系も設けられている。そして、上記第１の原料ガス供給系２２、第２の原料ガス供給系２４及びクリーニングガス供給系２６は、それぞれ上記処理容器４の下部側壁に例えば貫通するように設けられた石英製の第１、第２及び第３のガスノズル２２Ａ、２４Ａ、２６Ａを有している。ここでは上記第１、第２及び第３のガスノズル２２Ａ、２４Ａ、２６Ａとして直線状のストレート管が用いられている。
【００２６】
尚、これらの各ガスノズル２２Ａ、２４Ａ、２６Ａは実際には上記処理容器４の下端部の肉厚になされたフランジ部４Ｂに設けられる。また、この構造に代えて、処理容器４の下端にステンレス製の筒体状のマニホールドを設け、このマニホールドにガスノズル２２Ａ、２４Ａ、２６Ａを設けるようにしてもよい。
【００２７】
そして、上記第１、第２及び第３の各ガスノズル２２Ａ、２４Ａ、２６Ａには、それぞれガス通路２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂが接続されており、流量制御されたそれぞれの原料ガスやクリーニングガスを供給するようになっている。また、この原料ガス用のガス通路２２Ｂ、２４Ｂには、例えばテープヒータのような通路加熱ヒータ２２Ｃ、２４Ｃが巻回して設けられており、各通路を加熱することにより蒸気圧が高くなされた各原料ガスが流れる途中で液化や固化することを防止するようになっている。また上記各ガス通路２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂの途中には、各ガスの供給及び供給停止を行う開閉弁２２Ｄ、２４Ｄ、２６Ｄがそれぞれ介設されている。ここでは２種類の原料ガスとして例えば、ピロメリット酸二無水物（以下「ＰＭＤＡ」とも称す）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（以下「ＯＤＡ」とも称す）とが用いられる。
【００２８】
上記ＰＭＤＡは常温で固体なので、例えば２５０℃程度に加熱して昇華し、発生したガスを流量制御されたキャリアガスと共に移送する。また上記ＯＤＡは常温で固体なので、これを加熱して液化し、この液体を流量制御されたキャリアガスによりバブリングすることにより蒸気を発生させ、キャリアガスと共に移送する。上記キャリアガスとしては、ここでは例えば不活性ガスであるＮ２ ガスが用いられるが、これに代えてＨｅ等の希ガスを用いてもよい。また上記クリーニングガスとしては、フッ素系ガスが用いられ、ここではフッ素系ガスとして、例えば４％濃度のＦ２ （フッ素ガス）が使用されている。
【００２９】
また、上記処理容器４の天井部には、横方向へＬ字状に屈曲させた排気口２８が設けられる。この排気口２８には、処理容器４内を真空引きする真空排気系３０が接続されている。具体的には、上記真空排気系３０は上記排気口２８に接続された排気通路３２を有しており、この排気通路３２には、バタフライ弁のような圧力制御弁３２Ａ、排気ガス中の反応副生成物や未反応の原料ガスを捕集するトラップ機構３２Ｂ及び真空ポンプ３２Ｃがそれぞれ順次介設されている。
【００３０】
ここでウエハＷを保持する保持手段としてのウエハボート６について説明する。このウエハボート６は、図２及び図３にも示すように、複数本、図示例では３本の支柱３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃと、この支柱３６Ａ〜３６Ｃの長手方向に沿って複数段に亘って固定された複数の載置台３８とにより主に構成されている。そして、このウエハボート６には、これに保持されるウエハＷを冷却するための内部冷却手段４０（図１参照）が設けられている。
【００３１】
具体的には、上記ウエハボート６の全体は、ウエハＷに対する汚染を引き起こすことがないような金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合金により形成されている。上記ウエハボート６の一部を形成する上記３本の支柱３６Ａ〜３６Ｃは、処理容器４の下端の開口部４Ａを密閉する蓋部８より起立させて設けられており、各支柱３６Ａ〜３６Ｃの上端部は天板４２（図１参照）により互いに連結されている。そして、上記載置台３８は、所定の厚さの円板状に成形されており、この載置台３８の裏面に上記３本の各支柱３６Ａ〜３６Ｃから中心方向へ延びるＬ字状になされた支持アーム４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃの先端部を接続固定して、上記載置台３８を支持するようになっている（図２参照）。そして、この載置台３８の上面側にウエハＷが直接的に載置されることになる。上記載置台３８のピッチＰ１は例えば８ｍｍ程度であるが、特に限定されない。
【００３２】
ここで、ウエハＷの直径に対して上記載置台３８の直径は僅かに、例えば数ｃｍ程度小さく設定されており、図２に示すように、ウエハＷを移載するための二股状のフォーク４６によりウエハＷの周辺部の下面を支持し、これに持ち上げたり、或いは持ち下げたりできるようになっている。
【００３３】
尚、このフォーク４６を有する移載機構（図示せず）は、処理容器４の下方のローディングエリアに設けられる。また図２に示すように、上記３本の支柱３６Ａ〜３６Ｃは、上記フォーク４６が侵入する方向とは反対側の略半円状の円周部分に等間隔で配置されており、ウエハ移載時のフォーク４６と各支柱３６Ａ〜３６Ｃとが干渉しないようになっている。図１に示す場合には、７個の載置台３８が設けられているが、処理容器４の高さ方向の大きさにもよるが、実際には２５〜１００個程度設けられることになる。
【００３４】
一方、上記ウエハＷを冷却する上記内部冷却手段４０は、上記ウエハボート６に形成された冷媒通路４８と、これに冷媒を循環させる冷媒循環部５０とにより主に構成されている。具体的には、上記冷媒通路４８は、上記３本の支柱３６Ａ〜３６Ｃの内の２本の支柱３６Ａ、３６Ｃ内に沿って形成された支柱内通路５２Ａ、５２Ｃと、この２本の支柱３６Ａ、３６Ｃから延びる支持アーム４４Ａ、４４Ｃ内に形成されたアーム内通路５４Ａ、５４Ｃと、各載置台３８内にその全面に亘って例えば蛇行状に形成された載置台内通路５６とにより構成されている。
【００３５】
そして、各載置台３８においてアーム内通路５４Ａ、載置台内通路５６及びアーム内通路５４Ｃは直列に接続されており、また各アーム内通路５４Ａ、５４Ｃは、２本の支柱内通路５２Ａ、５２Ｃに対してそれぞれ接続されている。これにより、各載置台３８の載置台内通路５６に対して冷媒を流すことができるようになっている。
【００３６】
また、図１に示すように、上記各支柱内通路５２Ａ、５２Ｃと冷媒循環部５０との間は、伸縮可能になされた蛇腹状の伸縮管５８により連結されており、この伸縮管５８を介して冷媒を循環させると共に、この伸縮管５８がウエハボート６の昇降移動に追従できるようになっている。このように形成された内部冷却手段４０としては、例えばチラー（登録商標）を用いることができる。そして、上記ウエハボート６の一部の載置台３８には、ウエハ温度（載置台温度）を計測するための例えば熱電対よりなる温度センサ６０が設けられている。
【００３７】
そして、上記冷媒循環部５０とヒータ電源１５は例えばコンピュータ等よりなる温度制御部６２により制御されることになる。具体的には、この温度制御部６２には、処理容器４の温度を検出する温度センサ１８と載置台３８の温度を検出する温度センサ６０との出力が共に入力されており、上記処理容器４と載置台３８との間の温度差が所定の温度差以上、例えば５０℃以上となるように制御するようになっている。すなわち、載置台３８よりも処理容器４の側壁の温度の方が５０℃以上高くなるように制御するようになっている。
【００３８】
そして、この装置全体の動作、例えば各ガスの供給開始、供給停止、処理容器４内の圧力制御、温度制御部６２への動作指令等は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部６４により制御される。そして、この装置制御部６４は、この装置全体の動作を制御するためのコンピュータにより読み書き可能なプログラムを記憶するための例えばフレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等よりなる記憶媒体６６を有している。
【００３９】
次に、以上のように構成された成膜装置２を用いて行なわれる成膜方法及び本発明のクリーニング方法について説明する。上述したように、以下に説明する動作は、上記記憶媒体６６に記憶されたプログラムに基づいて行われる。
【００４０】
まず、成膜方法について説明すると、例えばシリコンウエハよりなる半導体ウエハＷがアンロード状態で成膜装置２が待機状態の時には、処理容器４はプロセス温度、或いはこれより低い温度に維持されており、常温の多数枚、例えば５０枚のウエハＷが載置された状態のウエハボート６を容器加熱手段１４によりホットウォール状態になされた処理容器４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部８で処理容器４の下端の開口部４Ａを閉じることにより処理容器４内を密閉する。
【００４１】
そして、処理容器４内を真空排気系３０により真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、容器加熱手段１４への供給電力を増大させることにより、処理容器４自体の温度とウエハ温度を上昇させて成膜処理用のプロセス温度まで昇温して安定させる。
また、ウエハボート６には、これに設けた内部冷却手段４０が予め駆動されて冷媒通路４８には冷媒が流れており、各載置台３８は所定の温度になされている。
【００４２】
すなわち、冷媒循環部５０から供給された冷媒は一方の伸縮管５８を通ってウエハボート６の支柱３６Ａに設けた支柱内通路５２Ａ内を上昇し、この支柱内通路５２Ａから各アーム内通路５４Ａへ分岐してこれを介して各載置台３８の載置台通路５６内に流れ込み、この載置台自体を冷却する。この載置台通路５６内を流れた冷媒は、他方のアーム内通路５４Ｃを通って他方の支柱３６Ｃに設けた支柱内通路５２Ｃ内で合流し、合流した冷媒は他方の伸縮管５８を介して冷媒循環部５０へ戻ってくることになる。このようにして、上記冷媒は、ウエハボート６内を循環して各載置台３８及びこれに載置されているウエハＷを冷却する。
【００４３】
そして、このような状態で、ガス供給手段２０を駆動し、第１のガス供給系２２からキャリアガスと共に搬送されたＰＭＤＡを処理容器４内へ導入すると共に、第２のガス供給系２４からキャリアガスと共に搬送されたＯＤＡを処理容器４内へ導入し、更に真空排気系３０によりこの処理容器４内の圧力を所定のプロセス圧力に維持する。これにより、上記両原料ガスを重合反応させてウエハＷの表面に対してポリイミド薄膜よりなる薄膜を蒸着、或いは堆積させる。
【００４４】
この重合反応による成膜のプロセス時には、処理容器４内のプロセス圧力は、例えば１〜１０Ｔｏｒｒ（１３３．３〜１３３３Ｐａ）の範囲内に維持する。そして、上記処理容器４及び載置台３８の温度は、それぞれ温度センサ１８、６０により検出されて上記温度制御部６２へ入力されており、この成膜のプロセス時には上記温度制御部６２はウエハ温度をプロセス温度に維持すると共に、ヒータ電源１５及び冷媒循環部５０の双方、或いはいずれか一方を制御して、上記処理容器４の側壁とウエハボート６の一部である載置台３８との間の温度差が所定の温度差以上、具体的には５０℃以上になるように制御している。
【００４５】
換言すれば、載置台３８に冷却手段を設けない場合には、この載置台温度が処理容器４の側壁と同じ位の温度まで昇温してしまうので、載置台３８側に内部冷却手段４０を設けて載置台３８の温度よりも処理容器４の温度の方が５０℃以上高くなるように制御している。ここで、載置台３８上に載置されるウエハＷの温度は載置台３８の温度と略同じ温度に加熱されている。この時の各部の温度は、例えば処理容器４の側壁の温度が２５０℃以上に設定され、載置台３８、すなわちウエハＷの温度は２００℃に設定されている。
【００４６】
この場合、上記処理容器４の側壁の温度及び載置台３８の温度は、共に成膜用の原料ガスであるＰＭＤＡ及びＯＤＡが再固化する温度、或いは再液化する温度よりも高く設定され、且つＰＭＤＡ及びＯＤＡが共に熱分解しないような温度範囲内であって、モノマーである両原料ガスが蒸着重合するような温度範囲内に設定する。この場合、上記ＰＭＤＡの昇華温度は例えば２０３℃程度であり、熱分解温度は４００℃程度である。また上記ＯＤＡの液化温度は例えば１８７℃程度であり、熱分解温度は４００℃程度である。
【００４７】
上述のように処理容器４の側壁と載置台３８、すなわちウエハＷとの間に５０℃以上の温度差を設けておくことにより、原料モノマーであるガス状のＰＭＤＡとＯＤＡは共に熱泳動によって温度が低いウエハＷ側へ主に引き付けられて行くことになり、このウエハＷの表面に蒸着重合によって薄膜としてポリイミド薄膜が形成されることになる。また、上記温度差が５０℃よりも小さい場合には、熱泳動による原料ガスの引き付けの効果が薄くなってブラウン運動が主体となり、ウエハＷの表面と処理容器４の側壁とに略均等に薄膜が形成されてしまって好ましくない。
【００４８】
このようにして、温度の高い処理容器４の側壁には原料ガスであるＰＭＤＡやＯＤＡが引き付けられ難くなるので、この側壁に薄膜が堆積することを防止したり、或いは抑制することができる。
【００４９】
上記実施形態ではウエハＷの温度を２００℃に設定し、且つ処理容器４の側壁の温度を２５０℃以上に設定したが、これらは単に一例を示したに過ぎず、例えば上記熱泳動による原料ガスの引き付けが５０℃よりも小さな温度差でも顕著に生ずれば、より小さな温度差にしてもよい。ただし、ウエハ温度を好ましくは２００℃以上に設定することにより、この表面に付着している水分を確実に蒸発させることができてポリイミド薄膜の膜質を向上させることができる。
【００５０】
いずれにしても、処理容器４の側壁の温度及びウエハＷ（載置台３８）の温度は、上記温度差を設けつつ両原料ガスが気化状態を維持して熱分解もせず、且つ蒸着重合を生ずるような温度範囲内に維持する。このように、処理容器４側に容器加熱手段１４を設け、保持手段であるウエハボート６側に内部冷却手段４０を設けて、処理容器の側壁と保持手段との間の温度差が所定の温度差以上、例えば温度差５０℃以上になるように制御したので、処理容器４の側壁への不要な付着膜の堆積を抑制しつつ膜質の良好なポリイミド薄膜をウエハＷの表面に形成することができる。
【００５１】
さて、上述したようなバッチ式の成膜処理を繰り返し行っていると、処理容器４の内壁面等への不要な付着膜の堆積を抑制しているとはいえ、この内壁面やウエハボート６の表面や載置台３８の表面等には、剥がれるとパーティクルの原因となる不要な付着膜が次第に堆積してくることは避けられない。
【００５２】
そこで、ある程度の複数バッチのウエハＷを成膜処理したならば、定期的に、或いは不定期的に上記不要な付着膜（ポリイミド薄膜）を除去するためのクリーニング処理が行われる。ここではクリーニングガスとしてフッ素系ガス、具体的には、４％濃度のフッ素ガスを用いる。このクリーニング処理では、処理容器４内の温度を高くすれば、エッチング反応が促進されて一般にクリーニング速度は向上するが、処理容器４の構成材料やウエハボート６及び載置台３８の構成材料の耐熱性やエッチングガスに対する選択性を考慮しなければならない。
【００５３】
上記処理容器４の構成材料は石英なので耐熱性は高いが、保持手段であるウエハボート６、例えば各支柱３６Ａ〜３６Ｃや支持アーム４４Ａ〜４４Ｃや載置台３８を構成する材料は、石英に比べて耐熱温度が低いアルミニウム、或いはアルミニウム合金であり、このため、クリーニング温度の上限は３００℃程度に設定する。
【００５４】
また、これと同時に、上記各材料と不要な薄膜であるポリイミド薄膜とがクリーニングガスに対して高い選択性を有していなければならない。そして、フッ素系ガスは、温度を最適化すればポリイミド薄膜を比較的容易にエッチングでき、更にはアルミニウムやアルミニウム合金及び石英は上記フッ素系ガスに対して強い耐性を有しているので、ポリイミド薄膜のみを選択的に除去することが可能となる。このような理由から、ここでは上述したようにクリーニングガスとしてフッ素系ガス、例えばＦ２ ガスを用いる。
【００５５】
まず、クリーニングに際しては、ウエハボート６上には、半導体ウエハＷを何ら載置しないで空状態とし、このような空状態のウエハボート６を処理容器４内へ挿入し、内部を密閉状態とする。この状態で、容器加熱手段１４により処理容器４及びウエハボート６自体を加熱して、これらの温度を例えば２００℃程度に維持する。この場合、処理容器４を形成する石英とウエハボート６を形成するアルミニウム合金等では熱吸収率が異なるので、必要に応じて内部冷却手段４０の冷媒循環部５０を駆動してウエハボート６内に冷媒を流すなどして、このウエハボート６を所望の温度、例えば２００℃程度に維持する。
【００５６】
これと同時に、ガス供給手段２０のクリーニングガス供給系２６を動作させて、この第３のガスノズル２６ＡからクリーニングガスであるＦ２ ガスを流量制御しつつ処理容器４内へ導入する。この処理容器４内へ導入されたＦ２ ガスは、この処理容器４内を上昇しつつ、ウエハボート６や載置台３８の表面や処理容器４の内壁面に付着堆積していた不要な膜であるポリイミド薄膜と接触して反応し、これをフッ化させてエッチング除去することになる。
【００５７】
このエッチングに際しては、上記処理容器４や載置台３８を含むウエハボート６の各温度を例えば２００℃程度に維持することにより最適化しているので、この処理容器４やウエハボート６にダメージを与えることなく、不要な薄膜であるポリイミド薄膜のみを選択的に、且つ効率的に除去することができる。
【００５８】
この場合、上記処理容器４の温度や載置台３８を含むウエハボート６の温度は、１５０〜３００℃の温度範囲内に設定し、好ましくは２００〜２５０℃の温度範囲内に設定する。上記載置台３８を含むウエハボート６の温度を３００℃よりも高く設定すると、これらを構成するアルミニウム、或いはアルミニウム合金自体は、Ｆ２ ガスに対しては十分な耐性を有しているが、熱的にダメージを受けてしまうので好ましくない。
【００５９】
また処理容器４を構成する石英は、この温度が３００℃よりも高くなると、ポリイミド薄膜に対する選択性が急激に劣化してしまって、Ｆ２ ガスによりポリイミド薄膜のみならず石英自体も激しく削り取られてしまうので好ましくない。また、処理容器４の温度や載置台３８を含むウエハボート６の温度が１５０℃よりも低い場合には、ポリイミド薄膜のエッチングレートが急激に低下してしまってクリーニング処理に長時間を要し、スループットが大幅に低下して好ましくない。
【００６０】
このように、本発明では、成膜装置の処理容器４内に付着した不要な高分子薄膜、例えばポリイミド薄膜をクリーニング処理により除去するに際して、クリーニングガスとしてフッ素系ガス、例えばＦ２ ガスを使用することにより、処理容器自体や被処理体を保持する保持手段であるウエハボート６にダメージを与えることなく不要な高分子薄膜のみを選択的に且つ効率的に除去することができる。
【００６１】
＜エッチングの選択性の評価＞
ここでポリイミド薄膜と石英に対するＦ２ ガスのエッチング時の選択性について実験を行ったので、その評価結果について説明する。図４はポリイミド薄膜と石英に対するＦ２ ガスのエッチング時の選択性を示すグラフである。ここでは横軸にエッチング（クリーニング）時間をとり、左側縦軸にＰＩ（ポリイミド薄膜）のエッチング膜厚をとり、右側縦軸に石英のエッチング膜厚をとっている。尚、ここで左側縦軸と右側縦軸は２桁異なっている点に注意されたい。
【００６２】
またエッチングに際しては、エッチングガス（クリーニングガス）として４％濃度のＦ２ ガスを用い、エッチング対象物の温度を２００℃に設定し、圧力は１５０Ｔｏｒｒに設定している。この図から明らかなように、石英のエッチング膜厚は、時間の経過と共に直線的に上昇しており、エッチングレートが常に一定になっていることが理解できる。この場合、エッチングレートは０．３ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、非常に小さい。
【００６３】
これに対して、ポリイミド薄膜（ＰＩ）のエッチング膜厚は、エッチング開始の当初は少ないが、時間の経過と共に、例えば２次曲線的に次第に増加していることが理解できる。この場合、例えばエッチング開始当初の１０分程度までのエッチングレートは２０ｎｍ／ｍｉｎ程度であるのに対して、エッチング開始後の２０分から３０分までの１０分間のエッチングレートは７５ｎｍ／ｍｉｎ程度に急激に増加している。この理由は、ポリイミド薄膜がエッチングされる時の反応メカニズムが、”膜のフッ化”と”過剰にフッ化された表面付近の揮発”の２ステップからなっているからである、と考えられる。
【００６４】
すなわち、エッチングの開始当初は膜のフッ化にＦ２ ガスが消費されて膜が劣化し、ある程度までフッ化が進行すると、フッ化した膜が急激に昇華して取れ出すことによりエッチングが遅れて生じ、その後は、急激な昇華状態を維持してエッチングが進行して行くことになる。
【００６５】
いずれにしても、この図４に示すグラフより、処理時間２０分以上の領域では石英のエッチングレートは、ポリイミド薄膜のエッチング量、或いはエッチングレートよりも２桁程度低い値に抑えることができた。この結果、石英をほとんど削らないでポリイミド薄膜を選択的に除去できることが判る。換言すれば、ポリイミド薄膜を石英よりも選択比で２桁（１００倍）程度効率的に除去できることが判る。
【００６６】
そして、この時の膜厚方向の元素濃度を調べて、また膜厚の断面を写真にとったので、その結果を示す。図５はシリコン基板上に形成されたポリイミド薄膜（ＰＩ）の膜厚方向の元素濃度を示し、図６はシリコン基板上に形成されたポリイミド薄膜（ＰＩ）の膜厚方向の電子顕微鏡写真を示す。尚、元素濃度の測定はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）を用いた。図５において、横軸は膜表面からの膜厚の深さを示し、縦軸は元素濃度を示し、図中には、炭素（Ｃ）、フッ素（Ｆ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、シリコン（Ｓｉ）の各元素濃度がそれぞれ示されている。
【００６７】
図５に示すように、膜表面から深さ８００ｎｍ程度まではＦ濃度が高い状態で入っており、膜がフッ化されてフッ化ポリイミド薄膜（Ｆ化ＰＩ膜）となっている。そして、深さ８００ｎｍを越えて更に深くなると、Ｃ濃度が急激に増加する一方、Ｆ濃度は急激に減少しており、この部分はフッ化されていないピュアなポリイミド薄膜（ＰＩ膜）となっている。そして、深さが１６００ｎｍを越えて更に深くなると、Ｓｉ濃度が急激に上昇しており、Ｓｉ基板に達したことを理解することができる。
【００６８】
図６はこの時の電子顕微鏡写真を示しており、下側よりＳｉ基板、ＰＩ膜及びＦ化ＰＩ膜の３層構造になっているのが判る。ここでＰＩ膜とＦ化ＰＩ膜との合計膜厚は１６０１ｎｍ程度であり、この膜厚の初期値は１６００ｎｍ程度であり、膜が取れ出す前にＦ化が進行している。
【００６９】
＜フッ素濃度及び温度依存性の評価＞
次に、エッチング時のフッ素濃度及び温度依存性について検討したので、その評価結果について説明する。図７はエッチング時のフッ素濃度及び温度依存性を示す図であり、ポリイミド膜（ＰＩ）のエッチングレート、ＳｉＯ２ 膜（石英）のエッチングレート及び両者の選択比を示している。ここではエッチング時のプロセス圧力は全て４００Ｔｏｒｒ（５３３２０Ｐａ）に設定している。
【００７０】
図７に示すように、フッ素濃度依存性の実験の場合には、プロセス温度を全て２００℃に設定し、Ｆ２ 濃度を１．５％、８％、２０％の３種類に亘って変化させている。これによれば、ＰＩ膜とＳｉＯ２ 膜との選択比は上記Ｆ２ 濃度の範囲内ならば２桁以上である。また、Ｆ２ 濃度が１番少ない１．５％の場合でもＰＩ膜のエッチングレートは０．０３μｍ／ｍｉｎであって十分に大きい値であり、有効な濃度である。ただし、より効率的にＰＩ膜を除去するためには、Ｆ２ 濃度を８％以上に設定してエッチングレートを０．３１μｍ／ｍｉｎ以上にするのが好ましい。この場合、Ｆ２ 濃度を高くすればする程、ＰＩ膜のエッチングレートは大きくなる。
【００７１】
また、温度依存性の実験の場合には、Ｆ２ 濃度を８％と２０％の２種類とし、プロセス温度をそれぞれの濃度に関して１５０℃、２００℃、２５０℃の３種類について行った。この場合には、選択比は、Ｆ２ 濃度が２０％で、温度２５０℃の時の”７７”を除き、全て２桁以上の大きな値となっており、全ての選択比が好ましい結果を示していることが判る。
【００７２】
また、ＰＩ膜のエッチングレートは、温度が１５０℃の場合には、Ｆ２ 濃度が８％の時に０．０３μｍ／ｍｉｎ、Ｆ２ 濃度が２０％の時に０．１２μｍ／ｍｉｎであって共に低く、これに対して、温度が２００℃及び２５０℃の場合には、Ｆ２ 濃度が８％の時でも０．３１μｍ／ｍｉｎ〜１．６μｍ／ｍｉｎであって、上記温度１５０℃の場合よりもかなり高くなっており、優れた特性を示していることが判る。従って、エッチング時（クリーニング時）の最適な温度は１５０℃以上であり、好ましくはポリイミド薄膜のエッチングレートがより大きくなる２００℃以上となる。
【００７３】
また、クリーニング時の温度の上限は前述したように、載置台３８を含むウエハボート６の構成材料であるアルミニウムやアルミニウム合金の耐熱温度である３００℃であり、好ましくは耐熱性に対するマージンを見込んで２５０℃以下に設定する。以上の結果より、クリーニング時における処理容器４やウエハボート６や載置台３８の各温度は、前述したように１５０〜３００℃の範囲内、より好ましくは２００〜２５０℃の範囲内に設定するようにする。
【００７４】
以上の実施形態ではクリーニングガスに用いるフッ素系ガスとしてＦ２ ガスを用いたが、これに限定されず、フッ素系ガスとしては、Ｆ２ 、ＮＦ３ 、ＣｌＦ３ 、Ｃ２ Ｆ６ よりなる群から選択される１以上のガスを用いることができる。また、本実施形態では、高分子薄膜として有機薄膜のポリイミド薄膜を形成する場合を例にとって説明したいが、これに限定されず、有機薄膜としてポリ尿素薄膜を成膜する場合にも、本発明を適用することができる。このポリ尿素薄膜を形成する際の複数の原料ガスとしては、例えば４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）と４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）とを用いることができる。
【００７５】
また更に、モノマーの重合プロセスによって形成される高分子薄膜としては有機薄膜に限定されず、無機薄膜よりなる高分子薄膜を形成する場合にも、本発明を適用することができる。このような無機薄膜としては、例えばＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等が挙げられ、更にＳｉＯＣＨ膜、ＳｉＮＣＨ膜等の有機・無機ハイブリッド膜等も挙げることができる。
【００７６】
また、ここでは一度に複数枚のウエハを処理する、いわゆるバッチ式の成膜装置を例にとって説明したが、これに限定されず、処理容器４及び保持手段であるウエハボート６の高さをそれぞれ小さく設定してウエハを１枚ずつ処理するようにした、いわゆる枚葉式の成膜装置にも、本発明を適用することができる。
【００７７】
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
２  成膜装置
４  処理容器
６  ウエハボート（保持手段）
８  蓋部
１２  昇降機構
１４  容器加熱手段
２０  ガス供給手段
２２  第１の原料ガス供給系
２４  第２の原料ガス供給系
２６  クリーニングガス供給手段
３０  真空排気系
３６Ａ〜３６Ｃ  支柱
３８  載置台
４０  内部冷却手段
４４Ａ〜４４Ｃ  支持アーム
４８  冷媒通路
５０  冷媒循環部
５２Ａ，５２Ｃ  支柱内通路
５４Ａ，５４Ｃ  アーム内通路
５６  載置台内通路
５８  伸縮管
６２  温度制御部
６４  装置制御部
６６  記憶媒体
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
0005310915.tif 000002
【図２】
0005310915.tif 000003
【図３】
0005310915.tif 000004
【図４】
0005310915.tif 000005
【図５】
0005310915.tif 000006
【図６】
0005310915.tif 000007
【図７】
0005310915.tif 000008